大斷面綜放沿空巷道煤柱合理寬度研究

馬玉罡

(山西中煤華晉能源有限責任公司 王家嶺礦,山西 河津 043300)

近年來,我國厚煤層開采方法不斷向大尺度、快推進的大型集約化綜放方向發展[1],但是開采時相鄰工作面回采巷道受采動影響較劇烈,破壞了巷道的穩定性。因此,確定有效區段煤柱寬度既避免煤炭資源浪費又保證沿空巷道圍巖的穩定。國內外學者針對不同地質情況進行了深入研究[2-7]。王衛軍等[8]研究了基本頂在給定變形條件下煤柱寬度的確定方法;張科學等[9-10]研究發現煤柱位移方向偏向于巷道一側,改善了沿空巷道的維護;馮吉成等[11]等通過確定煤柱寬度解決了深井大采高工作面留設大煤柱導致回收率低的難題。

本文以王家嶺煤礦20102綜放工作面為工程背景,分析大斷面強采動綜放煤巷圍巖偏應力賦存狀態,結合現場地質生產條件和理論計算,進一步解釋第二、第三偏應力不變量分布規律及其柱寬效應,為大斷面強采動綜放煤巷圍巖控制提供基礎數據。

1 工程概況

201采區主采2號煤,煤層賦存穩定,鉆孔揭露煤層厚度6.03 m～6.39 m,平均厚度6.21 m,煤層傾角2°～5°,平均3°。直接頂為砂質泥巖,厚度為2.0 m;老頂為細砂巖,厚度為9.6 m;底板為泥巖,厚度為1.61 m,詳細巖層分布及力學參數如表1所示。

表1 巖層參數及力學分布Table 1 Parameters and mechanics distribution of strata

圖1 201采區工作面及回采巷道布置Fig.1 Layout of 201 mining areas and roadways

20102綜放面位于201采區中央大巷的東側,其北側為20104綜放工作面,兩工作面間的區段煤柱寬度為19.4 m。20102工作面長度為225 m,走向長度為1 400 m。20104綜放面開采與20102區段回風平巷掘進相向,在距離中央輔助運輸大巷約550 m處交匯,因此,20102區段回風平巷0～550 m段將經歷20104綜放面開采的采動影響。工作面布置圖見圖1。

2 煤柱合理寬度數值分析

2.1 數值模擬方案設計

巖土塑性理論[12]認為:偏應力張量只引起變形物體的形狀變化而不引起體積的變化,塑性變形的發生發展,即變形結果,主要是由偏應力張量所決定。因此,本次使用FLAC3D軟件,主要模擬王家嶺煤礦20102區段回風平巷圍巖的偏應力分布,以偏應力第二不變量和偏應力第三不變量作為衡量指標,繪制煤柱寬度20 m、16 m、12 m、8 m和4 m時頂板深度0.4 m(1號)、1.4 m、2.4 m、3.4 m、4.4 m、5.4 m、6.4 m、7.4 m、8.4 m、9.4 m、10.4 m、11.4 m、12.4 m、13.4 m、14.4 m、15.4 m、16.4 m、17.4 m、18.4 m和19.4 m(20號)水平面對應的偏應力不變量,見圖2所示,分析頂板圍巖畸變特征及應變分布特征。數值計算模型(見圖3)規格450 m×200 m×70 m,施加上覆巖層的自重載荷7 MPa。

2.2 模擬結果分析

2.2.1強采動煤巷偏應力第二不變量柱寬效應

不同煤柱寬度下(20 m、16 m、12 m、8 m和4 m)頂板不同層位偏應力不變量監測曲線見圖4所示。

煤柱寬度為20 m的狀態下,頂板淺部(0～10 m范圍內)偏應力第二不變量曲線呈不對稱馬鞍狀,實體煤側頂板內不變量最大值達到43 MPa2,煤柱內不變量最大值達到20 MPa2,煤柱承載能力最高并集聚了大量形變能。頂板深部(10 m～20 m范圍內)偏應力第二不變量分布呈單峰形態,峰值位于煤柱內,頂板處于0變量狀態。巷道上方頂板淺部0～3.4 m范圍內偏應力不變量保持較低的應力值,說明出現不同程度卸壓,巷道圍巖變形破壞較大。

煤柱寬度為16 m和12 m的狀態下,巷道圍巖中偏應力不變量仍呈明顯的集中態勢,主要分布于煤柱內6 m～8 m和實體煤幫側3 m～5 m,煤柱區內偏應力不變量峰值約為30 MPa2,實體煤頂板偏應力不變量峰值約為90 MPa2,呈顯著不對稱的馬鞍形分布,煤柱在覆巖運動下開始出現明顯的破壞,導致煤柱內賦存的能量開始釋放。巷道頂板上方淺部巖層內(3.4 m)偏應力不變量保持小于90 MPa2,巷道受采動影響程度較高,圍巖變形較大。

a-實體煤側測線長度;b-巷道寬度;c-煤柱寬度圖2 強采動煤巷頂板圍巖測線布置圖Fig.2 Layout of survey lines for roof surrounding rocks under strong mining

圖3 數值計算模型Fig.3 Numerical simulation model

圖4 不同煤柱寬度下頂板巖層內偏應力第二不變量變化曲線Fig.4 Variation curve of the second invariant of deviatoric stress in roof strata under different coal pillar widths

當煤柱寬度減小至8 m乃至以下時,整體而言,強采動煤巷頂板中偏應力第二不變量呈單峰值分布形態,峰值強度50 MPa2,分布在實體煤幫之中。煤柱中偏應力第二不變量呈減小趨勢,煤柱承載性能大幅度衰減。對于巷道及煤柱上方頂板內偏應力而言,8 m煤柱時不變量要大于4 m時,因此8 m煤柱合理性更強。

2.2.2強采動煤巷偏應力第三不變量柱寬效應

不同煤柱寬度下(20 m、16 m、12 m和8 m)強采動煤巷頂板不同層位偏應力不變量監測曲線見圖5所示,分析可得:

煤柱寬度為20 m狀態下,偏應力第三不變量曲線呈現為“倒峰駝”狀,實體煤幫側偏應力第三不變量為-44 MPa2,煤柱內偏應力第三不變量為-48 MPa2,兩部分煤體應變狀態均為高強度壓應變;淺部煤體在巷道及其延伸區域內偏應力第三不變量為0～10 MPa2,處于拉應變狀態。

煤柱寬度為16 m和12 m狀態下,偏應力第三不變量分布曲線呈單一峰值狀,峰值區位于實體煤幫內深部5 m左右,煤柱區域內偏應力第三不變量大于-10 MPa2,可見,隨著煤柱寬度減小,煤柱內巖體由壓應變范圍和程度逐步減小。

圖5 不同煤柱寬度下頂板巖層內偏應力第三不變量分布曲線Fig.5 Distribution of the third invariant of deviatoric stress in roof strata under different coal pillar widths

隨著煤柱寬度進一步減小至8 m以及8 m以下時,頂板巖層內偏應力第三不變量發生顯著變化,以巷道中線區域為界,靠近煤柱幫側頂板巖體處于拉應變狀態,最大偏量值為15 MPa2;靠近實體煤幫側頂板巖體處于較高的壓應變狀態;在巷道區出現拉應變和壓應變類型的劇烈轉化,此時煤柱煤巖體受到采動影響較為強烈,采取合理的控制措施可保證巷道穩定。

3 煤柱寬度理論計算

基于上述20102區段煤柱的應力分布規律和穩定性分析,結合王家嶺煤礦的地質資料和煤巖樣力學實驗結果,采用塑性計算法和極限強度計算方法來確定王家嶺礦2號煤層20102區段煤柱的合理寬度。

3.1 塑性區計算法

根據圍巖內應力場的影響范圍,按照煤巷兩幫煤體應力和極限平衡理論,得出沿空巷道小煤柱尺B的表達式:

B=x1+x2+x3.

式中:x1為采空區側在煤柱中產生的塑性區寬度,m;x2為錨桿錨入煤柱的深度,m;x3為安全距離,m;λ為側壓系數;m為上區段平巷高度即采高,m;φ為煤體內摩擦角,°;k為應力集中系數;γ為巖層平均容重,N/m3;H為巷道埋深,m;C為煤體粘聚力,MPa;p為上區段平巷支架對下幫的支護阻力,MPa。將相關參數取值代入計算得沿空巷道合理在煤柱尺寸B為8.3 m。

3.2 極限強度理論計算法

根據極限強度理論計算法確定煤柱極限荷載σ與極限強度R關系式：

式中:D為采空區寬度,m;δ為采空區上覆巖層跨落角,°;Rc為煤塊的單軸抗壓強度,MPa;h為煤柱高度,m;其它字母含義同上式。

整理得出王家嶺區段煤柱B的計算公式：

B=

根據地質生產資料可知:h=3.5 m;Rc=55 Mpa;γ=2.5×104N/m3;δ=60°;D=250 m;H=265 m。經計算可得:B=7.75 m。

根據上述計算結果并結合數值模擬分析,綜合確定20102區段煤柱寬度為8.0 m。

4 現場礦壓觀測與分析

在護巷煤柱寬度為8 m的情況下,對20102回風巷進行礦壓觀測,選取40 m距離作為礦壓觀測區段,每隔20 m設1個測站,共設3個測站,分別記錄巷道兩幫變形量及頂板離層情況。

通過數據整理可知,測站距上區段工作面25 m時,巷道受上區段采動影響劇烈兩幫及頂底板位移速率達到峰值。當與工作面不斷靠近過程中,巷道變形量繼續增加但增長速率逐漸減小,直到工作面經過測站70 m時巷道頂板開始逐漸穩定,基本不再受采動影響,兩幫移近量則是在工作面推過80 m以后逐步趨近于穩定。當巷道最終穩定后兩幫累計位移量為488 mm,頂底板移近量為316 mm,均在安全范圍之內。

5 結論

1)強采動條件下,20102區段回風平巷頂板淺部0～3.4 m范圍內圍巖保持較低畸變能量值,應變類型為拉應變;中位巖層4.4 m～6.4 m范圍內圍巖保持較高程度畸變能,圍巖保持較高的承載能力,應變類型由拉應變向平面應變類型轉化,深部圍巖畸變能分布受巷道開挖擾動作用較小,圍巖應變為單一壓應變。

2)隨煤柱寬度的減小,煤柱幫內偏應力第二不變量呈先增大后減小的趨勢,應變類型為拉應變→壓應變→拉應變轉化。實體煤幫偏應力第二不變量呈先增大后減小的趨勢,應變類型:拉應變→壓應變→平面應變。

3)當煤柱寬度大于8 m時,煤柱及其上方頂板巖體內偏應力不變量存在峰值區,應變類型為壓應變或處于平面應變類型,煤柱寬度有必要進一步優化;當煤柱寬度小于或等于8 m時,偏應力第三不變量峰值集中于實體煤幫側,巷道頂板處于偏應力不變量降低區域,偏應力第三不變量在巷道區域出現劇烈的拉壓應變轉化。

4)王家嶺煤礦20102采區回風平巷煤柱合理寬度為8 m,但巷道兩側頂板巖層中偏應力分布呈現不對稱狀態,煤柱幫一側巷道變形破壞程度高于實體煤幫側,因此針對該情況需要采取合理地支護措施。

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